Grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un atomo, ha generato molte ricerche sulla sua elettronica unica, proprietà ottiche e meccaniche. Ora, i ricercatori del MIT hanno scoperto un altro composto che condivide molte delle caratteristiche insolite del grafene e in alcuni casi ha interessanti proprietà complementari a questo materiale tanto annunciato.

Il materiale, un sottile film di bismuto-antimonio, può avere una varietà di diverse caratteristiche controllabili, i ricercatori hanno scoperto, a seconda della temperatura e della pressione ambiente, lo spessore del materiale e l'orientamento della sua crescita. La ricerca, condotto dal dottorando in scienze dei materiali e ingegneria Shuang Tang e dalla professoressa dell'Istituto Mildred Dresselhaus, appare nel diario Nano lettere .

Come il grafene, il nuovo materiale ha proprietà elettroniche note come coni di Dirac bidimensionali, un termine che si riferisce al grafico a forma di cono che traccia l'energia rispetto al momento per gli elettroni che si muovono attraverso il materiale. Queste proprietà insolite, che consentono agli elettroni di muoversi in un modo diverso rispetto a quanto è possibile nella maggior parte dei materiali, possono conferire ai film di bismuto-antimonio proprietà altamente desiderabili per le applicazioni nella produzione di chip elettronici di nuova generazione o generatori e dispositivi di raffreddamento termoelettrici.

In tali materiali, Tang dice, gli elettroni “possono viaggiare come un raggio di luce, ” potenzialmente rendendo possibili nuovi chip con capacità computazionali molto più veloci. Il flusso di elettroni potrebbe in alcuni casi essere centinaia di volte più veloce rispetto ai tradizionali chip di silicio, lui dice.

Allo stesso modo, in un'applicazione termoelettrica - in cui una differenza di temperatura tra due lati di un dispositivo crea un flusso di corrente elettrica - il movimento molto più veloce degli elettroni, accoppiato con forti proprietà di isolamento termico, potrebbe consentire una produzione di energia molto più efficiente. Questo potrebbe rivelarsi utile per alimentare i satelliti sfruttando la differenza di temperatura tra i loro lati illuminati dal sole e quelli in ombra, dice Tang.

Tali applicazioni rimangono speculative a questo punto, Dresselhaus dice, perché sono necessarie ulteriori ricerche per analizzare proprietà aggiuntive ed eventualmente per testare campioni del materiale. Questa analisi iniziale si basava principalmente sulla modellizzazione teorica delle proprietà del film di bismuto-antimonio.

Fino a quando non è stata effettuata questa analisi, Dresselhaus dice, "non abbiamo mai pensato al bismuto" come avente il potenziale per le proprietà del cono di Dirac. Ma recenti scoperte inaspettate che coinvolgono una classe di materiali chiamati isolanti topologici hanno suggerito il contrario:gli esperimenti condotti da un collaboratore ucraino hanno suggerito che le proprietà del cono di Dirac potrebbero essere possibili nei film di bismuto-antimonio.

Mentre risulta che i film sottili di bismuto-antimonio possono avere alcune proprietà simili a quelle del grafene, la modifica delle condizioni consente anche la realizzazione di una varietà di altre proprietà. Ciò apre la possibilità di progettare dispositivi elettronici realizzati con lo stesso materiale con proprietà diverse, depositato uno strato sopra l'altro, piuttosto che strati di materiali diversi.

Le proprietà insolite del materiale possono variare da una direzione all'altra:gli elettroni che si muovono in una direzione potrebbero seguire le leggi della meccanica classica, Per esempio, mentre quelli che si muovono in direzione perpendicolare obbediscono alla fisica relativistica. Ciò potrebbe consentire ai dispositivi di testare la fisica relativistica in un modo più economico e semplice rispetto ai sistemi esistenti, Tang dice, anche se questo resta da dimostrare attraverso esperimenti.

"Nessuno ha ancora realizzato dispositivi" con il nuovo materiale, Dresselhaus avverte, ma aggiunge che i principi sono chiari e che l'analisi necessaria dovrebbe richiedere meno di un anno per essere realizzata.

“Tutto può succedere, non lo sappiamo davvero, "Dice Dresselhaus. Tali dettagli restano da chiarire, lei dice, aggiungendo:"Rimangono molti misteri prima di avere un vero dispositivo".

Giuseppe Heremans, un professore di fisica alla Ohio State University che non era coinvolto in questa ricerca, afferma che mentre alcune proprietà insolite del bismuto sono note da molto tempo, “Ciò che sorprende è la ricchezza del sistema calcolato da Tang e Dresselhaus. La bellezza di questa previsione è ulteriormente rafforzata dal fatto che il sistema è sperimentalmente abbastanza accessibile".

Heremans aggiunge che in ulteriori ricerche sulle proprietà del materiale bismuto-antimonio, “ci saranno difficoltà, e alcuni sono già noti, " ma dice che le proprietà sono sufficientemente interessanti e promettenti che "questo documento dovrebbe stimolare un grande sforzo sperimentale".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.